波紋金屬軟管在海上風電水冷系統(tǒng)上的漏水失效分析

蘇旭林 ，李志道， 柳 成

(廣州高瀾節(jié)能技術股份有限公司，廣東 廣州 510663)

1 引言

根據(jù)《風電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，到2020年，我國海上風電開工建設規(guī)模將達到1000萬千瓦，力爭累計并網(wǎng)容量達到500萬千瓦。海上風電不斷向大容量、高可靠性的方向發(fā)展，對海上風力發(fā)電用密閉式循環(huán)水冷系統(tǒng)的可靠性要求也越來越高[1-2]。

海上風電用密閉式循環(huán)水冷系統(tǒng)主要包括泵站、空氣散熱器、外部連接管路[3-4]。波紋金屬軟管主要應用于連接水冷系統(tǒng)泵站與空氣散熱器的外部管路上，用于管道系統(tǒng)中為補償位移和安裝偏差、吸收振動及降低噪聲所采用的[5]。

2 應用背景

江蘇蔣家沙某海上風電項目，風電機組共75臺，18年并網(wǎng)運行，到目前為止投運約1年。每個機組包含兩套水冷系統(tǒng)，機艙和塔底各一套。機艙水冷系統(tǒng)主要用于齒輪箱和發(fā)電機的冷卻，配備6套自然風冷散熱器，塔底水冷系統(tǒng)主要用于變流器/變壓器的冷卻，配備4套強制風冷空氣散熱器[6]。波紋金屬軟管主要應用在塔底水冷系統(tǒng)連接泵站與空氣散熱器的外部管路上，且安裝在外部平臺，暴露于海洋性環(huán)境中。每套空氣散熱器配備2條1.25寸和4條3寸波紋金屬軟管。近來，該現(xiàn)場反饋塔底平臺水冷系統(tǒng)外部管路中有4條波紋金屬軟管漏水，其中1.25寸3條、3寸1條。本文重點對其中漏水嚴重的1條1.25寸波紋金屬軟管進行失效原因分析。

該漏水失效1.25寸金屬軟管按GB/T 14525-2010《波紋金屬軟管通用技術條件》生產(chǎn)制備[5]。波紋管材料為316L(022Cr17Ni12Mo2)，壁厚0.3 mm，光亮固溶熱處理狀態(tài)，材料標準為GB/T 3280-2007《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》[7]; 金屬網(wǎng)套采用鋼絲編織而成，編織參數(shù)為36mm×10 mm ×0.4 mm，材料為316L，冷拉狀態(tài)，材料標準為GB/T 4240-2009《不銹鋼絲》[8]。該失效樣品為2017年6月生產(chǎn)，2018年初投入項目使用，在蔣家沙近海環(huán)境中運行約1年，出現(xiàn)漏水失效。

本文采用形貌分析、EDS分析、金相分析、硬度分析、化學成分分析等方法對該波紋金屬軟管的漏水失效原因進行分析[9]，并提出相應的預防措施或建議。

3 失效原因分析

現(xiàn)場返回漏水失效的1.25寸波紋金屬軟管1條，實物如圖1。

圖1 現(xiàn)場返回漏水1.25寸波紋金屬軟管

3.1 試驗前檢驗

3.1.1 外觀檢驗

對漏水波紋金屬軟管外觀進行目視檢驗，金屬網(wǎng)套編制層完好，未發(fā)現(xiàn)明顯磕碰或凹痕等缺陷。

3.1.2 氣壓復檢試驗

對漏水波紋金屬軟管進行氣壓復檢檢測。連接管路，充入0.8MPa氣壓，放入水中進行觀察，發(fā)現(xiàn)有3處明顯漏點，與之前收到漏水反饋信息一致，見圖2。

圖2 失效管道氣壓復檢試驗

3.1.3 拆解編織層，標記泄露點

對該波紋金屬軟管外部金屬編織層進行剪切和拆除，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有多處類似磕痕跡象，用手觸摸有輕微凸起感，找到三個泄漏點并做好標記。

3.2 形貌分析

3.2.1 宏觀分析

針對失效樣品，通過目視檢查進行形貌分析，3處標記泄漏點為A、B、C，均位于波紋管的外徑面頂部附近，且集中在波紋管的一小塊區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域表面可見明顯銹跡。而其余位置表面呈光亮金屬色，未見明顯銹跡。具體如圖3所示。

圖3 失效樣品外觀目視檢查

將失效樣品切割取樣后進一步光學放大觀察，見圖4～圖7。通過對泄漏A、B點外壁、內(nèi)壁進行觀察可知，泄漏點口徑較小，呈垂直擴展，泄漏點處外壁表面存在明顯磨損及銹跡，而對應位置內(nèi)壁表面僅可見一較小孔洞，表面仍保有原始狀態(tài)完好，未見異常。同時對C兩點進行光學放大觀察，現(xiàn)象與A點相似。且在泄漏點外壁表面附近，存在有小塊區(qū)域銹跡，還可見一定數(shù)量的一定深度的腐蝕坑或凹坑。由此觀察A、B、C三個泄漏點現(xiàn)象基本一致，外壁均存在明顯磨損、劃傷、凹坑和腐蝕，內(nèi)壁完好。同時，可以確認腐蝕源來自外壁表面。

圖4 失效樣品泄露A點外壁形貌

圖5 失效樣品泄露A點內(nèi)壁形貌

圖6 失效樣品泄露B點外壁形貌

圖7 失效樣品泄露B點內(nèi)壁形貌

3.2.2 微觀分析

采用KEYENCE VHX-5000 超景深體式顯微鏡，對泄漏點A、B、C三點進行微觀觀察，如圖8 中A點顯微鏡不同倍數(shù)情況下所示。泄漏點及非泄漏位置的腐蝕坑內(nèi)部及附近可見大量腐蝕產(chǎn)物及由腐蝕產(chǎn)品開裂后形成泥紋花樣。樣品表面的銹跡為覆蓋在表面上的，而非本體生銹。

圖8 失效泄漏點A的微觀形貌

3.3 EDS分析

采用Zeiss Sigma500 場發(fā)射掃描電子顯微鏡對腐蝕產(chǎn)物進行EDS分析(見圖9～圖10，腐蝕產(chǎn)物中可以探測到一定量的腐蝕性氯元素，且主要富集在泄露點附近，及一些微量外來金屬元素，如鈉，鎂，鋁，鉀，鈣等(見表1)。

圖9 腐蝕產(chǎn)物掃描電鏡 SEM圖片(15kV,200X)

圖10 腐蝕產(chǎn)物五個點的能圖譜

表1 腐蝕產(chǎn)物五個點的能譜數(shù)據(jù) %

3.4 金相分析

采用Zeiss AXIO Imager 金相顯微鏡，按照GB/T 13298-2015金屬顯微組織檢驗方法進行金相分析[9]，見圖11～圖14。

圖11 泄漏A點的截面形貌(100-500X) 圖12 非泄漏位置腐蝕點的截面形貌(100-500X)

拋光態(tài)下觀察，失效樣品泄漏點及非泄漏位置的腐蝕坑的開口尺寸均較小，基本呈垂直狀往內(nèi)擴展，且內(nèi)部腐蝕寬度較大，為皮下型或梨型腐蝕坑，為典型的點蝕坑特征；結(jié)合EDS分析結(jié)果，腐蝕產(chǎn)物中可檢測到氯元素，因此可以確認為氯離子導致的點蝕。另外在腐蝕坑底部還可見一些沿晶腐蝕的現(xiàn)象，即又存在應力腐蝕的特征。

腐蝕后觀察，泄漏孔處金相組織與正常位置無明顯差異，均為帶孿晶的奧氏體組織，無異常。

圖13 泄漏點的截面金相組織(50～500X)

圖14 正常位置的截面金相組織(50～500X)

3.5 硬度分析

采用MICROMET 5103顯微維氏硬度計，按照GB/T 4340.1-2009金屬材料維氏硬度試驗第1部分：試驗方法進行硬度分析[10]，見表2。失效樣品外徑面硬度明顯高于內(nèi)徑面。結(jié)合波紋金屬軟管加工工藝，這是由于在加工成型過程中發(fā)生了變形，導致了形變強化，使得外徑面硬度高于內(nèi)徑面。

表2 維氏硬度測試結(jié)果(HV0.3)

3.6 化學成分分析

采用ICP-OES，對失效波紋金屬軟管波紋管部分化學成分進行分析檢測結(jié)果如表3，失效樣品化學成分符合牌號要求。

表3 化學成分分析結(jié)果 %

4 分析小結(jié)

(1)從泄漏點及多個腐蝕坑的分布可知，均位于失效產(chǎn)品一小塊集中的區(qū)域內(nèi)(該區(qū)域內(nèi)分布大量銹跡，而其他位置為光亮金屬面)，且均位于外徑面頂部附近，因此很大可能與該區(qū)域的外界環(huán)境異常有關。同時，泄漏銹蝕位置附近都存在不同程度的腐蝕點坑，綜合內(nèi)外表面情況分析，腐蝕坑呈現(xiàn)為外喇叭口狀，由外向內(nèi)的腐蝕，隨著腐蝕的深入最終導致在波紋管較薄弱處穿孔泄漏。

(2)從失效產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)來看，泄漏點及腐蝕坑除表面均存在磨損或劃傷痕跡，可能是波紋管生產(chǎn)工藝流轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生凹坑、劃傷或為波紋管與金屬編織層磨損所致，導致波紋管表面鈍化膜破壞，大大降低抗腐蝕性能，使得腐蝕易于發(fā)生。

(3)從腐蝕產(chǎn)物的成分來看，除了氯元素外，還檢測到微量的鈉，鎂，鋁，鉀，鈣等金屬元素，結(jié)合產(chǎn)品的使用環(huán)境，腐蝕介質(zhì)的來源主要來源于海水或者海洋環(huán)境。

(4)失效產(chǎn)品的化學成分及金相組織均正常。

5 結(jié)論及建議

綜上所述，該現(xiàn)場水冷系統(tǒng)所用波紋金屬軟管波紋管及編織網(wǎng)套材質(zhì)均為316L，產(chǎn)品應用在近海及遠海地區(qū)，一方面使用環(huán)境相對潮濕，且長期暴露在含有超標氯離子的潮濕海洋性空氣中，易引起氯離子富集發(fā)生點蝕；另一方面波紋管表面局部磨損、劃傷等缺陷，導致波紋管表面鈍化膜破壞，加速了點蝕泄漏[11-13]。

為了避免以后類似漏水問題的再次發(fā)生，建議如下：

(1)加強波紋金屬軟管波紋管和編織層的外觀檢驗，明確波紋管和編織層外觀檢驗的要求。波紋管表面不允許有可見的剝層，氣泡，夾渣、氧化皮， 銹斑，裂紋，尖角凹坑，尖銳折疊等缺陷，也不允許有深度大于壁厚的壓痕，深度大于壁厚下偏差的劃傷；編織層表面不允許有不平整、斷絲、折疊、凸出等現(xiàn)象[14]。

(2)加強波紋金屬軟管生產(chǎn)工藝過程及后續(xù)流轉(zhuǎn)的控制：波紋管在成型、下料、焊接、檢測、包裝、二次安裝等各工序及流轉(zhuǎn)過程做好相應防護和外觀檢測，避免出現(xiàn)波紋管磕碰、重壓、尖銳砸傷等。

(3)使用在沿海、遠海地區(qū)的波紋金屬軟管，在軟管表面通過增加聚乙烯PE熱縮保護膜或增涂相應的防護漆，使不銹鋼波紋管與外界海洋性環(huán)境隔離，可以延緩腐蝕情況的發(fā)生，大大的延長使用壽命。